Владимирова О.Г. Нормування антропогенного навантаження на природне середовище (повітряне середовище): Конспект лекцій

Подождите немного. Документ загружается.

Небезпечна швидкість вітру u

розраховується за формулами (2.32) і

(2.33):

- для джерел гарячих викидів (f < 100):

= 0,5 при ν

≤ 0,5,

= ν

при 0,5 < ν

≤

2, (2.32)

= ν

(1+0,12

) при ν

>2.

- для джерела холодних викидів (f ≥ 100 або

∆

Т ≈0)

= 0,5 при ν'

≤ 0,5,

= ν'

при 0,5< ν'

≤

2, (2.33)

= 2,2 ν'

. при ν'

> 2.

З співвідношень (2.32) і (2.33) бачимо, що небезпечна швидкість

вітру u

пропорційна величині

, яка розраховується за формулами

(2.10), (2.11) та залежить від параметрів викидів джерела. Вона

збільшується з ростом перегріву вихідних газів відносно навколишнього

повітря

∆

Т (для гарячих викидів) і швидкості їх виходу з отвору джерела

. Тобто тих факторів, які визначають ефективний підйом факела диму

∆

Н.

Вираз для

∆

Н має наступний вигляд:













∆

+=∆

000

TgR.

, (2.34)

де u – швидкість вітру на рівні флюгера;

– радіус отвору труби;

g – прискорення вільного падіння;

– температура навколишнього повітря, К.

Як бачимо з формули (2.34)

∆

Н сильно залежить від u. З посиленням

вітру

∆

Н значно зменшується, тобто, чим більше температура газів і

швидкість їхнього виходу з труби, тим більшою повинна бути швидкість

вітру, щоб ліквідувати вплив підйому факела на зменшення приземних

концентрацій.

Наявність зворотної залежності u

від геометричної висоти джерела

Н пов’язано з тим, що u

розраховується застосовано до швидкості вітру

на висоті флюгера. У той же час зниження ефективного підйому факелу

виникає під впливом вітру на рівні викидів. Якщо прийняти, що швидкість

вітру зростає з висотою за логарифмічним законом, приймаючи, що об'єм

вихідних газів V

, їх перегрів і небезпечна швидкість вітру на рівні викидів

задані, то чим вище джерело, тим менше u

У випадку лінійного джерела типу аераційного ліхтаря, небезпечна

швидкість приймається

мм

′

, (2.35)

де

′

відноситься до джерела з круглим отвором, еквівалентному

даному лінійному джерелу, і розраховується у випадку викидів за

формулою (2.32), а у випадку холодних – за (2.33) з використанням

еквівалентних значень діаметру джерела і об’єму вихідних газів, які

розраховуються за формулами (2.23) і (2.24).

Розрахунки показують, що частіше всього для потужних теплових

електростанцій значення небезпечної швидкості вітру складає 5-7 м/с, для

металургійних виробництв - 2-4 м/с, для багатьох хімічних виробництв і

для лінійних - 1-2 м/с.

Максимальна приземна концентрація забруднюючих речовин з

урахуванням швидкість вітру (тобто коли швидкість вітру не дорівнює

величині безпечної швидкості вітру) знаходиться за формулою

rСС

мми

, (2.36)

де r – безрозмірна величина, що визначається в залежності від

співвідношення u/u

( ) ( ) ( )

341671670

ммм

uu,uu,uu,r

−+=

при u/u

≤ 1,

( )

( ) ( )

+−

мм

uuuu

при u/u

>1. (2.37)

Залежність параметра r від аргументу u/u

добре видна на рис. 2.3.

0,0 0,2 0,6 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 U/Uм

r,p

Рис.2.3 Графік для визначення безрозмірного коефіцієнта r і p в

залежності від швидкості вітру.

Суттєво, що з збільшенням u збільшення концентрації при u<u

проходить швидше, ніж їх зменшення при u>u

Швидкість вітру визначає не лише максимальні концентрації

домішок, які створюються викидами заданого джерела, а і відстані від

джерела (х

мu

), на яких ці концентрації спостерігаються:

pxx

мми

. (2.38)

Коефіцієнт р також як і r, визначається величиною u/u

(рис.2.1).

Характерно, що при u>u

з посиленням вітру область максимальної

концентрації віддаляється від джерела. Ці обставини мають велике

значення для визначення метеорологічних умов високого рівня

забруднення атмосфери у житлових районах, коли об’єкти розташовуються

на великій відстані від міста.

Наприклад, якщо u

=4м/с, то при швидкості вітру 12м/с x

≈

2х

. При

висоті труб 200м і вказаній швидкості вітру відстань, на якій створюються

максимальні концентрації домішок викидами джерела, буде складати 8 км,

а С

≈

0,5С

Значення х

мu

збільшується також при слабкому вітрі, тобто при u<u

(з рис.2.3 бачимо, що безрозмірний коефіцієнт р мінімальний при u=u

). Це

пов’язано з тим, що при слабких вітрах поблизу джерела концентрації

наближуються до нуля, і лише на далеких відстанях при наявності

спрямованого переносу домішки можуть досягати земної поверхні: якщо

u/u

≤

0,25, р=3. З слабким вітром пов’язаний ще один важливий ефект. Як

бачимо з рис.2.2, з зменшенням швидкості вітру збільшується коефіцієнт

у формулі (2.24), що визначає повільне зменшення концентрацій по мірі

віддалення від осі факела перпендикулярно до нього. В умовах міста при

накладені факелів від великої кількості джерел це може визвати помітний

зріст концентрацій.

Безрозмірний коефіцієнт р визначається залежно від відношення u/u

за графіком (рис.2.3) або за формулами:

при

25,0

≤

uи

( )

1143,8

+−=

uиp

при 0,25<

≤

, (2.39)

68,032,0

uиp

при

uи

Відношення u

мх

і відстані від джерела х можна записати наступним

чином:

( )

мммх

иxxfи

⋅=

, (2.40)

де f

– складна функція від аргумента х/х

. Ця залежність графічно

представлена на рис.2.3. За графіками знаходиться u

мх

відповідно u

мх

на

різних відстанях від джерела (при різних значеннях х/х

). На кожної з

кривих на рис. 2.3 відповідній певному значенню х/х

, максимум являє

собою величину u

мх

. Оцінки показують, що при х

2х

мх

≈

, а при

2 х

8х

мх

≈

1,5 u

. Якщо відстань від джерела значно вище 8х

, то u

мх

досягає 5u

і більше.

З видаленням від джерела не тільки зростає небезпечна швидкість

вітру, а і зменшується залежність концентрацій, які створюються

джерелом, від швидкості вітру. Якщо х = 4х

м,

тоді концентрації, які близькі

до значень С

мх

при швидкості вітру рівним приблизно 3,8u

мх..

Якщо х ≥ 8х

то концентрації, які близькі до розрахункових С

мх

відмічаються при

швидкостях вітру приблизно 10u

мх

. Це означає, що на значних відстанях

від джерела великі концентрації домішок могуть відмічатися при дуже

слабких вітрах. Даний факт треба враховувати у містах, де промислові

об’єкти значно віддалені від міських районів.

Небезпечна швидкість вітру для групи джерел характеризується

середньозвішаною величиною

∑

−

⋅

мi

мiмi

мс

, (2.41)

де u

мi

і С

мі

– розрахункові значення небезпечної швидкості вітру та

максимальної концентрації від N окремих джерел.

Великий інтерес представляють результати вивчення небезпечної

швидкості вітру стосовно площадного джерела, яким часто

апроксимуються міські умови. Оцінки показують, що небезпечна

швидкість вітру u

для площадного джерела приблизно у 2 рази менш, ніж

для окремих джерел, які входять до апроксимованої сукупності. Звідси

можна зробити висновок, що у місті u

в цілому нижче його значень, які

відносяться до окремих джерел, які розташовані на міській території.

При наявності площадного джерела характер вплив термічної

стратифікації атмосфери на рівні забруднення повітря інший. Для

навітряної частини міста можна визначити наступне:

− приблизно до 1,5 км від межі міста максимальні концентрації

домішок у повітрі формуються при нестійкій стратифікації атмосфери (як і

у випадку окремих точкових джерел);

− на відстані 1,5 – 5 км від межі міста найбільші концентрації

формуються при байдужої термічної стратифікації;

− на відстані більш 5 км максимальні концентрації формуються у

інверсійному шарі.

Суттєво відзначити, що у великому місті значення середньої

концентрації домішок формується при стійкій стратифікації атмосфери.

Найбільше забруднення повітря від високих джерел утворюються,

коли небезпечна швидкість вітру супроводжується інтенсивним

турбулентним обміном. Саме цим несприятливим умовам погоди властиві

закономірності розповсюдження домішок. Такі метеорологічні умови

відносяться до нормальних і зустрічаються відносно часто.

В цей же час в рідких випадках утворюються аномальні небезпечні

ситуації, коли концентрації домішок у приземному шарі стають особливо

великими. Це умови наявності:

− піднесена інверсія, основа якої розташована над джерелом викиду;

− штилеві шари нижче джерел викидів;

− тумани.

Найбільш інтенсивне забруднення повітря спостерігається, коли

небезпечна швидкість повітря і збільшений турбулентний обмін

супроводжується аномальними несприятливими метеорологічними

умовами.

Піднесена інверсія, яка розташована над джерелом викиду, являє

собою затримуючий шар для викидів, які поступають до атмосфери, та

перешкоджають розповсюдженню цих викидів у верхні шари, що визначає

зріст приземних концентрацій.

З урахуванням випадків місцезнаходження інверсії на різних рівнях

проводився на основі умови значного зменшення вертикального

коефіцієнту турбулентності з висотою та зберіганням умови зміни

швидкості вітру по логарифмічному закону. Значення відношень наземних

концентрацій при наявності утримуючого шару безпосередньо над

джерелом висотою 120 м та при його відсутності наступне:

Відстань від

джерела, км

1 2 3 4 5 10 20 30

Відношення 1,5 1,56 1,59 1.62 1,68 1.92 2.32 2.68

Як бачимо, концентрації домішок на відстані від джерела, близьких

до х

(10-40Н), збільшується на 50-70% в зв’язку з формуванням піднесеної

інверсії. Це збільшення збільшується з віддаленням від джерела. Таким

чином, при піднесеної інверсії зниження забруднення повітря після

досягнення максимуму при подальшому збільшені відстані від джерела

відбувається повільно, збільшення концентрації домішок може

розповсюджуватися на великі райони міських територій. Збільшення

концентрацій домішки суттєво залежить від рівня розташування нижньої

межі піднесеної інверсії над джерелом. З збільшенням цього рівня

концентрації домішок у приземному шарі повітря зменшуються. Якщо

нижня межа піднесеної інверсії розташована на висоті більш 200 м над

джерелом, то зростання приземної концентрації суттєво тільки на значних

відстанях. Однак у містах з великою кількістю різноманітних джерел

викидів і при порівняно високому положенні утримуючого шару може

мати місце помітне збільшення забруднення атмосферного повітря.

Вплив інверсійних шарів на розповсюдження тяжких домішок

проявляється слабше, ніж на розповсюдження легких домішок. Він

найменший тоді, коли частици крупніші. У той же час, як показують

розрахунки, при надходженні до атмосфери тяжких домішок, максимум

концентрацій зміщується в сторону близьких відстань за рахунок

розташування над джерелом піднесеної інверсії.

М.Є. Берляндом показано [10], що піднесені інверсії можуть

викликати значно більш інтенсивне забруднення приземного шару повітря,

якщо додатково враховувати вплив стійкого стану атмосфери на

зменшення початкового підйому домішок

∆

Н. Збільшення температури

повітря з висотою приводить до того, що викиди з труб не можуть

піднятися вище зазначеного рівня, який Берлянд назвав “стелею”;

∆

Н не

може бути вище стелі над джерелом викидів z

Величина z

. приблизно може бути виражена наступним чином:

610

∆

≈

(2.42)

де R

– радіус труби.

З формули (2.42) слідує, що z

знижується з зменшенням швидкості

виходу газів з труби (

), їх перегріву відносно навколишнього повітря

(

∆

Т) та радіуса труби.

За наявністю піднесеної інверсії для потужних джерел з гарячими

викидами z

= 200…800 м, для порівняно холодних викидів з труб

невеликого діаметру z

= 20…40.

Таким чином, з вище сказаного ми бачимо, що при дуже слабкому

вітрі та нестійкій стратифікації у випадку гарячих викидів приземна

концентрація мала за рахунок значного збільшення початкового підйому

факелу

∆

Н. При наявності піднесеної інверсії та стелі z

на порівняно

невеликій висоті величина

∆

Н обмежена у зв’язку з чим при штилі або

слабкому вітрі може спостерігатися різке зростання концентрації. Таким

чином, найнебезпечне забруднення приземного шару атмосфери має місто,

коли при холодних викидах дуже слабкий вітер супроводжується

піднесеною інверсією, яка розташована над джерелом. При слабкому вітрі

та гарячих викидах, характерних, наприклад, для ТЕС стеля не чинить ні

якого впливу на розповсюдження домішок так як вона розташована на

великій висоті.

Низько розташовані піднесені інверсії сприяють виникненню ефекту,

який називається задимленим. Він характеризується різкім зростом

концентрації домішок у приземному шарі атмосфери у період (як правило,

в ранковий час), коли в наслідок зруйнування нижньої частини приземна

інверсія становиться піднесеною. При цьому домішки, які накопичуються

на рівні 100-300 м починають інтенсивно надходити до нижнього шару

повітря. Вказаний ефект відмічається як правило у перехідні сезони, коли

нічні інверсії достатньо потужні, однак він проявляється й літом; у

південних містах в деяких випадках й зимою.

Наявність піднесеної інверсії над факелом, який розповсюджується

над об’єктом, у місті небезпечніше, ніж за межею міської території,

оскільки у першому випадку інтенсивніше турбулентний обмін у

приземному шарі.

Збільшення забруднення повітря при формуванні піднесеної інверсії

більше у випадках лінійних і площадних джерел у порівнянні з точковими

джерелами. Так, виконанні оцінки показали, що при лінійних джерелах

піднесена інверсія приводить до росту приземних концентрацій у 2-3 рази.

У випадку площадних джерел (міст) вплив піднесеної інверсії на

концентрації тим більше, чим більше місто. У великих містах концентрації

можуть збільшуватись у 5-10 разів порівняно з їх значеннями при

відсутності піднесеної інверсії. Такі виводи вказують на несприятливість

ситуації з тривало зберігаючими піднесеними інверсіями, в умовах міста,

яке в значній мірі може розглядатися як площадне джерело.

Піднесені інверсії формуються у прилеглих до водойм районах суші,

що визначає збільшене забруднення повітря у цих районах.

Найбільший інтерес представляє випадок формування інверсії при

денному бризі, коли повітря яке переміщується зі сторони водойма

прогрівається над сушею. Дослідження показали, що при денному бризі

стійка стратифікація атмосфери у приземному шарі зберігається

приблизно до 200 м від берегу. На відстані 1,5 км від водойму висота

нижньої границі утримуючого шару збільшується до 200 м, а на відстані 7

км – до 400 м. Нижче інверсії спостерігається інтенсивний турбулентний

обмін. Якщо при цьому швидкість вітру близька до небезпечної, то

утворюються аномальні несприятливі умови забруднення повітря від

окремих джерел. Є відомості, що в інверсійній ситуації небезпечні вологі

факели, які за рахунок охолодження набувають негативну плавучість і

опускаються до землі.

Значне підвищення концентрацій домішок у повітрі спостерігається,

коли нижче джерела розташований штильовий шар. При цьому, чим товщі

шар з послабленою швидкістю вітру й чим нижче він розташований, тим

сильніше його вплив.

Відповідно розрахункам, при наявності штильового шару, який

розташований від поверхні землі до висоти 30м, максимальна

концентрація домішки від джерела висотою 100-150м збільшується

приблизно на 70 % в зрівнянні з концентрацією при відсутності штилю.

Однак, якщо штиль розповсюджується на більшу висоту (наприклад,

у центральних частинах Az), то внаслідок сильного зростання ефективної

висоти джерела при гарячих викидах концентрації домішок у землі будуть

невеликими.

Ймовірно, що найбільше забруднення приземного шару повітря при

наявність штильових шарів нижче джерела буде спостерігатися у тому

випадку, коли на рівні викидів швидкість вітру буде близька до

небезпечної, u=u

Для висот труб 100-150м з врахуванням посилення вітру з висотою

відповідно логарифмічному закону така швидкість вітру складає 1.5-2 u

Зазначена несприятлива ситуація частіше усього може утворюватися в

умовах міста, особливо у районах щільної забудови, де швидкість вітру

значно зменшується у приземному шарі й зростає над цим шаром на висоті

100-150м.

Небезпечність забруднення повітря зростає при туманах, які

поглинають домішки з навколишнього повітря, утворюючи іноді розчини

шкідливих речовин підвищеної токсичності, наприклад сіркова кислота,

фтористоводнева кислота і т.д. Значну роль у забрудненні приземного

шару повітря може грати випадення великих крапель туману, при якому

розчинена домішка з вище лежачих шарів переноситься до підстилаючої

поверхні. Над розвиненим туманом радіаційного типу утворюється

звичайно піднесена інверсія температури.

Оцінка впливу метеорологічних умов на розповсюдження домішок

потребує також урахування рельєфу місцевості. Дослідження

М.Є.Берлянда і Є.Л.Геніховича показали, що в умовах складного рельєфу

максимальні концентрації вище, ніж в умовах рівної місцевості. При цьому

найбільші концентрації утворюються у понижених формах рельєфу, де

часто формуються умови застою повітря. Якщо джерело розташовано на

вершині, то ріст приблизно на 25-30% концентрації домішок під факелом

пов’язані з виникненням низходячих течій у підвітряній частині пагорбу.

При розповсюдженні домішок у атмосфері від окремих джерел може

мати місто і ряд інших ефектів. Так, в умовах горбкуватого рельєфу часто

збільшується небезпека забруднення повітря від високих джерел при

стійкій стратифікації атмосфери. Оскільки факел у інверсії слабо

розчинюється, значне забруднення повітря на підвищених місцях можливо

на великих відстанях від джерел (10-15 км і більш). Схожий ефект

виявляється над водоймами літом, де у денний час спостерігаються

низходящі токи, а нижній шар атмосфери стійкий. У факелі, який

проходить над водоймою, викиди переносяться у сторону поверхні і

розсіваються незначно, та на протилежному березі на великій відстані від

джерела можуть відмічатися високі концентрації домішок.

При розташуванні промислових об'єктів на околиці міста або за його

межею великий вплив на забруднення повітря у жилих районах має напрям

вітру. Вплив напрямку переносу повітря на приземні концентрації домішок

пов'язаний з накладанням викидів ряду поодиноких джерел. Найбільші

концентрації будуть спостерігатися, коли викиди від великих висотних

джерел переносяться на райони щільної забудови і складного рельєфу, де

посилюється інтенсивність надходження домішок до земної поверхні.

У холодну частину року при слабких вітрах забруднення повітря у

місті збільшується з ростом температури. Найбільш чітко такий зв'язок

виявляється в умовах застою повітря, який зберігається протягом всього

дня. Таким чином, неспритною є ситуація застою повітря в поєднанні з

відносно високими температурами зимою. Значне забруднення повітря

виявляється також тоді, коли високі зимні температури супроводжуються

швидкістю вітру не більш 4-5 м/с. Такі умови відмічаються звичайно у

теплих секторах циклонів.

Домішки вимиваються з атмосфери опадами. Опади ефективно

очищують повітря від пилу та у меншому ступені від газових домішок.

При цьому головним чином зменшується фонове забруднення повітря поза

зони прямого впливу джерел викидів. При слабких мряках (наприклад у

теплому секторі циклона) за рахунок несприятливого впливу супутніх

факторів спостерігається високий зміст домішок у міському повітрі.

Величина фонового забруднення повітря в місті у значному ступені,

визначається інерційним фактором. Це означає, що забруднення повітря у

місті залежить від його величини в попередній день. Якщо у попередній

день значення інтегрального параметру Р велике, то у послідуючий день

забруднення повітря, як правило, підвищено, особливо коли концентрації

домішок змірюються у другій половині попереднього дня.

Дія даного фактора в значному ступені визначається

метеорологічною інерцією, яка означає тенденцію до збереження

атмосферних процесів, які визначають рівень концентрації.

Питання для самоконтролю:

1. За якою методикою визначаються основні характеристики

забруднення атмосферного повітря?

2. Як класифікуються джерела викидів газоповітряної суміші у

відповідності до їх висоти?

3. Як характеризуються джерела викидів забруднюючих речовин

за їх координатними характеристиками?

4. Як визначається максимальна концентрація домішки у

приземному шарі атмосфери у випадку викиду з джерела гарячої

газоповітряної суміші?

5. Чим відрізняється визначення максимальної приземної

концентрації в випадку холодного викиду газоповітряної суміші від

випадку гарячого викиду?

6. Зміна яких параметрів, що входять до формули розрахунку

максимальної концентрації домішки, суттєво вплине на зменшення

концентрації у приземному шарі атмосфери?

7. Як визначається відстань від джерела викиду, на якій буде

відмічатися розрахункова максимальна концентрація?

8. Як висота джерела впливає на відстань, де відмічається

максимальна розрахункова концентрація?

9. Як змінюється концентрація домішки у приземному шарі

атмосферного повітря вдовж осі факела викиду? Наведіть формулу

розрахунку.

10. Як змінюється концентрація домішки у приземному шарі

атмосферного повітря поперек осі факела викиду? Наведіть формулу

розрахунку.

11. Надати поняття «Небезпечна швидкість вітру»?

12. Перелічити несприятливі умови розсіювання домішки, які

умовно відносять до «нормальних». Поясніть їх несприятливу дію.

13. Перелічити несприятливі умови розсіювання домішки, які

відносять до «аномальних». Поясніть їх несприятливу дію.

14. Як зміниться концентрація забруднюючої роковини, якщо

швидкість вітру буде більш за значенням небезпечної швидкості вітру?

15. Чи зміниться відстань від джерела викиду забруднюючої

речовини, де буде відмічатися максимальна концентрація цієї речовини,

якщо швидкість вітру буде більше за величину небезпечної швидкості

вітру для джерела? Якщо так, поясніть.

16. При яких метеорологічних умовах буде відмічатися найбільш

інтенсивне забруднення повітря?